Aula5 enzimas e-receptores

1BioLab – www.iq.ufrgs.br/biolab/
Prof. Gustavo Pozza SilveiraIntrodução a Química Medicinal
1
INTRODUÇÃO A QUÍMICA
MEDICINAL
Prof. Gustavo Pozza Silveira
gustavo.silveira@iq.ufrgs.br
Sala 201A – Bloco E

2
Enzimas – catalisador natural da vida.
Receptores – sistama de comunicação natural da vida.

3
Estrutura e função de enzimas
• Proteinas globulares agem como catalisadores do corpo.
• Aumentam a velocidade reacional para que a mesma atinja o equilíbrio.
• Diminuem a energia de ativação reacional.
Examplo:
LDH = Lactate dehydrogenase (enzyme)
NADH2 = Nicotinamide adenosine dinucleotide (reducing agent & cofactor)
Pyruvic acid = Substrate
LDH
Pyruvic acid Lactic acid
H3C
C
C
O
O HO
C O
CH3C
H
NADH2 NAD+++
OH OH

4
Diminui a energia de ativação de uma reação:
Act.
energy
Transition state
SEM ENZIMA
Product
Starting
material
Energia
COM ENZIMA
Product
Starting
material
Energia
∆G
New
transition
state
∆G
Act.
energy
Enzimas diminuem a energia de ativação reacional, mas DG
permanece o mesmo.
Estrutura e função de enzimas

5
Métodos de catálise enzimática
• Promovem uma superfície reacional (o sítio ativo)
• Promovem o ambiente adequado para reação environment (hidrofóbico).
• Aproximam os reagentes.
• Posicionam reagentes corretamente para reação (confôrmeros).
• Enfraquecem ligações nos reagentes.
• Promovem catálise ácida / basica.
• Intensificam grupos nucleofílicos.
Estrutura e funcionamento de enzimas

6
Sitio ativo
• Cavidades ou hidrofóbicas na superfície enzimática.
• Aceitam reagentes (substratos e cofatores)
• Contem aminoácidos que:
- Ligam-se a reagentes (substratos and cofactores).
- Catalisam a reação.
ENZYME
Active site
Active site

7
Notas:
• Sítio ativo está próximo do formato correto para interação com o substrato.
• Ligação altera o formato da enzima (prenchimento induzido).
• Força de ligação com o substrato é aumentada devido a indução.
• Ligação envolve forças intermoleculares entre grupos funcionais do substrato e
do sítio ativo.
Prenchimento induzido.
Induced fit
Substrate
S
Ligação do substrato

8
• Ionic
• H-bonding
• van der Waals
Forças ligantes
Examplo
S
Enzyme
Active site
vdw
interaction
ionic
bond
H-bond
Phe
Ser
O
H
Asp
CO2

9
H3C
C
C
O
O
O
• Ionic
• H-bonding
• van der Waals
Examplo - Binding of pyruvic acid in LDH
H-Bond
Possible interactions vdw-interactions
O
H
H3N
H3C
C
C
O
O
O
Ionic bond
H-Bond
H3C
C
C
O
O
O
van der Waals
H3C
C
C
O
O
O
Ionic
H3C
C
C
O
O
O
Forças ligantes

10
Lactate dehydrogenase is a safety valve in our pipeline of energy production.
Most of the time, our cells break down glucose completely, releasing the carbon
atoms as carbon dioxide and the hydrogen atoms as water. This requires a lot of
oxygen. If the flow of oxygen is not sufficient, however, the pipeline of energy
production gets stopped up at the end of glycolysis. Lactate dehydrogenase is
the way that cells solve this problem, at least temporarily.
During sprints or other over-exertions, there isn't enough oxygen to go around. In
this case, our cells use glycolysis as their primary source of energy, As part of
glycolysis, hydrogen from glucose is placed on NAD+ to form NADH. Normally,
these hydrogen atoms are then transferred to oxygen to form water. If oxygen
isn't available, the NADH builds up and there isn't enough NAD+ to continue
using glycolysis to make ATP. That's where lactate dehydrogenase steps in: it
combines pyruvate and NADH, producing lactic acid and NAD+. The NAD+ can
then be recycled to do another round of glycolysis.
Lactato dehydrogenase

11
Ligantes: NADH (cofator) e ácido pirúvico (substato).

12
Ligantes: NADH (cofator) e ácido pirúvico (substato).

13
• Indução do molde correto – Sítio ativo é alterado para maximizar ligações
intermoleculares.
Forças de ligação
Intermolecular bonds not optimum
length for maximum bonding
Intermolecular bond lengths optimised
Susceptible bonds in substrate
strained
Susceptible bonds in substrate more
easily broken
S Phe
Ser
O
H
Asp
CO2 Induced
fit
S
Phe
Ser
O
H
Asp
CO2

14
Example - Binding of pyruvic acid in LDH
O
H
H3N
H3C
C
C
O
O
O
O
O
O

15
Example - Binding of pyruvic acid in LDH
O
H
H3N
p bond
weakened
H3C
C
C
O
O
O

16
Mecanismo de catálise
• Histidine
Catálise ácido/base
Residos nucleofílicos
N
NH
+H
-H N
NH
H
Non-ionised
Acts as a basic catalyst
(proton 'sink')
Ionised
Acts as an acid catalyst
(proton source)
H3N CO2
OH
H
L-Serine
H3N CO2
SH
H
L-Cysteine

17
OH
Ser
X
Substrate
O
Ser
H2O
OH
Ser
HO
Product
Serina agindo como nucleófilo

18
Mechanism for chymotrypsin
Catalytic triad of serine, histidine and aspartate
Chymotrypsin
NN
O H
H
O O
Ser His Asp
..
:
:

19
ProteinNH
C
O
Protein
: :
Chymotrypsin
NN
O H
H
O O
Ser His Asp
..
:
:

20
O
ProteinNHC
O
Protein
: :
:
Chymotrypsin
NN
H
H
O O
Ser His Asp
:
:

21
N
O
ProteinNHC
O
Protein
: :
:
:
H
Chymotrypsin
N
H
O O
Ser His Asp
: :

22
O
C
:
OProtein
:
:
H
O
H
:
:
Chymotrypsin
NN
H
O O
Ser His Asp
:
:
:

23
O
H
O
C
O
Protein
: :
:
H
Chymotrypsin
NN
H
O O
Ser His Asp
:
:
:

24
:
N
O
O
C
O
Protein
: :
:
H
:
:
H
Chymotrypsin
N
H
O O
Ser His Asp
: :

25
OH
C
O
Protein
: :
Chymotrypsin
NN
O H
H
O O
Ser His Asp
..
:
:

26
NN
OH
C
protein
H
O O
Ser His Asp
OH
O
: :..
NN
O H
proteinNH
C
O
protein
H
O O
Ser His Asp
:
..
:
:
:
NN
O H
proteinNH
C
O
protein
H
O O
Ser His Asp
:
:
:
:
..
NN
O
proteinNH
C
O
protein
H
O O
Ser His Asp
H
:
:
:
..
: NN
O
C
O
H
O O
Ser His Asp
:
: :
:
:
protein
O
H H
:
:
NN
O
C
O
protein
H
O O
Ser His Asp
O
H
H
: :
:
: :
..
..
NN
O
C
O
protein
H
O O
Ser His Asp
OH
H
: :
: :
..
..
..
Mecanismos de catálise

27
Processo completo de catálise enzimática
S
E
ES
P
E
EP
P
E
E + P
E
S
E + S
E
Notes:
• Interaçõs lingantes devem ser fortes o suficiente para manter o substrato preso
o tempo necessário para que a reação ocorra.
• Porém, as interações devem ser fracas o suficiente para permitir que o substrato
deixe o sítio ativo após a catálise.
• Esse antagonismo deve ser seriamente levado em consideração!
• O planejamento de moléculas que liguem-se fortemente ao sítio ativo poderá
bloqueá-lo permanentemente!

28
• Many enzymes are regulated by agents within the cell
• Regulation may enhance or inhibit the enzyme
• The products of some enzymes may act as inhibitors
• Usually bind to a binding site called an allosteric binding site
Example
Phosphorylase a
Glucose-1-phosphate
HO
O
H
H
HO
H
O
OHH
H
OH
P
OH
O
HO
O
O
H
H
HO
H
OH
OHH
H
OH
Glycogen
n
N
NN
N
NH2
O
OHOH
HH
HH
OPO
O
O
AMP
Regulando o funcionamento de enzimas

29
ACTIVE SITE
(open)
ENZYMEEnzyme
• Inhibitor binds reversibly to an allosteric binding site
• Intermolecular bonds are formed
• Induced fit alters the shape of the enzyme
• Active site is distorted and is not recognised by the substrate
• Increasing substrate concentration does not reverse inhibition
• Inhibitor is not similar in structure to the substrate
Allosteric
binding site
Active site
(open)
ENZYMEEnzyme
Induced
fit
Active site
unrecognisable
Allosteric
inhibitor

30
Notes
• Enzymes with allosteric sites are often at the start of a biosynthetic pathway
• Enzyme is controlled by the final product of the pathway
• Final product binds to the allosteric site and switches off enzyme
P’’’P’’P’
Biosynthetic pathway
Feedback controlInhibition
PS
(open)
ENZYMEEnzyme

31
Forma ativa Forma inativa - alóstero
Some bacteria obtain most of their energy by conversion of glucose into
lactose. This process is called fermentation. The bacterial lactose
dehydrogenase shown here is an allosteric enzyme. Binding of fructose 1,6-
bisphosphate, one of the molecules formed in the early steps of glycolysis,
causes the enzyme to change into an active shape.
ALÓSTEROS – LACTATO DEHYDROGENASE

32
ALÓSTEROS – LACTATO DEHYDROGENASE
Cloranfenicol liga-se na porção que seria ocupada pela frutose 1,6-bifosfato
impedindo a formação alostérica que leva a forma ativa da enzima.
The protozoan parasites that cause malaria are thought to rely on glycolysis
for most of their energy during part of their cycle of infection.

33
Protein
kinase
Cell
• External signals can regulate the activity of enzymes (e.g. neurotransmitters or
hormones)
• Chemical messenger initiates a signal cascade which activates enzymes called
protein kinases
• Protein kinases phosphorylate target enzymes to affect activity
Example
Adrenaline
Signal
cascade
Phosphorylase b
(inactive)
Phosphorylase a
(active)
Glycogen Glucose-1-phosphate

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